生命科學

智力的極限

人類是萬物之靈,但還想更聰明。 不過可能由於物理定律的限制,我們大腦已經到達極限了。

撰文/福克斯(Douglas Fox)
翻譯/涂可欣

生命科學

智力的極限

人類是萬物之靈,但還想更聰明。 不過可能由於物理定律的限制,我們大腦已經到達極限了。

撰文/福克斯(Douglas Fox)
翻譯/涂可欣

重點提要
■人類智能可能已經接近演化的極限。各項研究顯示,可以讓我們變聰明的細微改變,大多數都會面臨物理定律設下的限制。
■舉例來說,大腦變大可增加智力,但到了某個程度後報酬率開始遞減,大腦會過於耗能且運作緩慢;而大腦各區域間較佳的連線,同樣也有耗費能量和佔據空間的限制。
■讓神經線路變細則會受限於熱力學,類似電晶體在電腦晶片上的情形,傳訊時產生太多雜訊。
■人類可透過集思廣益獲得較高的智慧,輔以從書寫到電腦等科技,讓我們的心智跳脫身體的局限。

第一次世界大戰前,諾貝爾獎得主、西班牙生物學家雷蒙卡厚爾(Santiago Ramon Y Cajal)曾詳細描述昆蟲的神經解剖構造。他將昆蟲視覺處理神經元的微小線路比喻為精緻的懷錶,而哺乳動物則像肚裡空空的老爺擺鐘。的確,蜜蜂的腦僅有幾毫克,卻一點不比哺乳動物遜色,能在迷宮或自然景物中穿梭自如,想到這裡,就不禁讓人謙卑起來。雖然蜜蜂的腦細胞較少,卻似乎能將功能發揮得淋漓盡致。


大象則是極端的反例。大象的腦是蜜蜂的500萬倍大,卻如美索不達米亞平原上龐大的帝國一樣缺乏效率,信號從腦的一端傳到另一端,或是從腦傳到腳,所需時間是蜜蜂的100倍,使得大象得減少仰賴反射,行動較遲緩,珍貴的腦資源必須用來計畫每一步怎麼走。


人類的大腦雖不像大象或蜜蜂的腦如此極端,卻很少人意識到相同的物理定律也嚴格規範著我們的大腦。人類學家曾推測腦容量增加可能面臨的障礙,舉例來說,較大的腦對雙足行走的人類來說,會讓嬰兒在出生時不易通過產道,但假設演化能解決產道問題,那麼我們會觸及更深入的問題。


例如,有人會想,演化過程可以增加大腦的神經元數目或提高神經元交換資訊的速度,而讓我們變得更聰明。但如果綜觀近期幾個研究並接受其中的邏輯推論,會得到以下的結論:這樣的改變很快就會遇到物理極限,而這些限制根植於神經元的本質和它們交流時在統計上相當嘈雜的化學交互作用。英國劍橋大學理論神經科學家勞夫林(Simon Laughlin)說:「資訊、雜訊和能量是密不可分的,它們的關係存在於熱力學層次。」


那麼是否熱力學定律限制了以神經元為基礎的智能?畢竟鳥類、靈長類、海豚或螳螂都使用了神經元。顯然我們從未以如此廣泛的角度來討論這個問題,但在這篇文章中受訪的科學家大致同意,這是個值得深思的問題。研究神經資訊編碼的美國賓州大學物理學家巴拉薩布藍曼尼恩(Vijay Balasubramanian)說:「這是個非常有趣的觀點,我從沒在科幻小說中看過有人討論這個想法。」


智能當然是一個籠統的詞,不容易評量,甚至很難定義。儘管如此,由大部份指標來看,人類堪稱地球上智力最高的動物。但人類大腦是否演化到資訊處理能力面臨極限的地步?以神經元為基礎的智能是否存在著一些物理限制,不僅囿限了人類,還包括其他所有我們知道的生物?


大腦超耗能

要增強大腦功能最直覺而明顯的方法,就是讓腦變大。事實上,科學家對腦容量和智能高下的關聯,已經好奇了100多年。19世紀末和20世紀初,生物學家探討了生命的通則:動物界裡與身體質量(特別是大腦質量)有關的數學定律。體積大的優勢是可容納較多神經元,而增加腦的複雜度。但是智力顯然不光是由腦的大小來決定:牛腦比鼠腦大了100倍,但牛並不比小鼠聰明,相反的,隨動物體型增大的腦似乎都用來執行瑣碎的功能,例如體型變大會增加許多與智能無關的日常雜務,像是監控較多觸覺神經,處理來自較大視網膜的信號,和控制較多肌肉纖維。


1893年在爪哇發現直立人頭顱的荷蘭解剖學家杜波伊斯(Eugene Dubois),希望有一個能根據化石頭顱大小估計動物智能的方法,於是他致力找尋腦容量和動物體型間的精確數學關係,這個想法的假設是腦特別大的動物會比較聰明。杜波伊斯等人建立了一個腦和身體重量的資料庫,在一篇經典論文裡,研究人員列出3690種動物的身體、器官和腺體的重量,涵蓋蟑螂、黃喙白鷺、二趾樹懶和三趾樹懶等動物。


杜波伊斯的後繼者發現,哺乳動物大腦增大的幅度比牠們身體的增加來得小,更確切的說,腦重量與體重是3/4次方的關係,所以體重是小鼠16倍的麝鼠,腦是小鼠的8倍大。從這數學關係可推衍出杜波伊斯想找尋的工具:大腦化商數(encephalization quotient)。大腦化商數能夠表示真實腦質量和根據動物體重推算出的預期腦質量之間的比值,換句話說,它可顯示物種偏離3/4次方定律的倍數。人類的大腦化商數為7.5(我們的腦為定律預測值的7.5倍),瓶鼻海豚為5.3,猴子大約4.8,而牛不出所料地跌至0.5(參見右側〈腦容量的異類〉)。簡言之,扣除處理瑣碎雜事(像是皮膚感覺)所需的神經元後,剩餘的神經元才與智力有關。更明白的說,智力與腦的大小至少有粗淺的關係。


當鳥類和哺乳類的腦擴增時,牠們必定受益於「規模經濟」,例如神經元傳遞信號時可使用的線路越多,每個信號便可攜帶較多資訊,這意味著當腦變大時,神經元每秒活化頻率可以較少。不過此時會有另一個趨勢與之抗衡。巴拉薩布藍曼尼恩說:「我相信,新增腦細胞對智能提升的效應存在著報酬率遞減的自然定律。」變大了負擔也增加,最明顯的就是消耗的能量增加。以人類來說,大腦是全身最飢渴的器官,它的重量只有體重的2%,卻像貪婪的絛蟲般佔用了20%的能量(休息狀態下),新生兒更可高達65%。


務必保持聯繫

隨腦變大而增加的能量負荷,大多來自腦的通訊網絡:人類大腦皮質的耗能就有80%是用在通訊;隨著腦的擴增,還有些更精細的結構性問題,讓神經連結更為困難。事實上,20世紀初一些生物學家不但繼續蒐集著腦質量的資料,他們也投入更艱鉅的任務:找出大腦的「設計原則」,並探討不同大小的腦如何遵循這些設計原則。


典型的神經元擁有一條細長的尾巴,稱為軸突(axon),軸突的末端會分叉,分支的頂端形成了突觸,也就是與其他細胞的接觸點。軸突就像電纜,可以連接大腦不同區域,也可以集結成神經,從中樞神經系統延伸到身體各個部位。


在研究初期,生物學家透過顯微鏡測量了軸突的直徑,計算神經細胞的大小和密度,以及每個細胞擁有的突觸數量。他們檢查幾十種動物腦部裡數百、甚至數千個細胞,想讓他們的數學曲線更完美,可應用在體型更大的動物,他們甚至想辦法從鯨魚屍體中取出完整的腦部。生物學家古貝格(Gustav Adolf Guldberg)在1880年代詳細描述了這耗時五小時的過程,包括用一把兩人操作的鋸子、一把斧頭、一把鑿子,還有很多氣力,像開罐頭般打開鯨魚的頭顱。

這些研究顯示,當大腦隨著物種體型增加而變大時,出現了幾個細微但可能無法持續的改變。第一,神經細胞的平均大小增加,在大腦總神經元數也增加時,這樣讓神經元可以連接更多同伴。然而較大細胞在皮質中排列較為鬆散,細胞之間的距離變長,軸突也必須變長。較長軸突意味細胞間信號傳遞時間較久,若要維持相同的速度,軸突必須加粗(較粗的軸突傳信較快)。

研究人員也發現,當腦隨著不同物種增大時,大腦會分隔出較大也較多不同的區域,如果把腦組織染色,放在顯微鏡下觀察,你可以看見那些皮質區域呈現不同的顏色。這些腦區通常對應特化的功能,例如理解語言或辨識臉孔。而且隨著腦變大,大腦特化還出現另一層次:左腦和右腦對稱區域負責了不同的功能,例如一邊負責空間感,另一邊負責口語理解。

幾十年來,人們以為大腦形成較多工作區隔是智力的表徵,但美國愛達荷州2AI實驗室的理論神經生物學家常逸梓(Mark Changizi)認為,它可能反映了一個更平實的真相:特化可補償大腦變大後的連結問題。從小鼠腦到牛腦,細胞數量增加了100倍,但神經元卻趕不及維持相同程度的連結,為了解決這個問題,大腦把功能相似的神經元劃在一起,形成密切連結的單元,在各單元間則以少數長途線路銜接。左、右腦的特化也是為了解決類似的問題,它減少必須跨越左、右腦半球的資訊,因此減輕大腦維持跨腦半球長距軸突的負擔。常逸梓說:「我們在較大的腦所看到的複雜現象,全都只是當腦變大時,為了解決連結問題而不得不然,並沒意味這樣的腦會比較聰明。」

波蘭科學院的計算神經科學家卡博斯基(Jan Karbowski)認同這個看法,他說:「大腦要同時讓幾個參數最佳化,一定得在其中取捨,你要改進某個特點,就會犧牲另一個特點。」舉例來說,當腦增大時,為了維持左右腦的連結度,連接左右腦的軸突束胼胝體(corpus callosum)也加粗,會產生什麼結果?如果讓胼胝體的軸突變粗,以避免左右腦信號傳遞延遲,又會如何?恐怕不會太好,胼胝體的擴增很快會推遠腦半球間的距離,抵消改進的效應。

近期實驗清楚證明了軸突粗細與傳導速度間的相抵現象。卡博斯基說,到最後,神經元確實隨腦的擴增而變大,但沒有快到足以維持一樣的連結程度;軸突確實隨腦的擴增而變粗,但沒有快到足以彌補較長傳導距離造成的延誤。巴拉薩布藍曼尼恩說,讓軸突變粗的程度不要太大,將可節省空間和能量。軸突變粗一倍,能量消耗即增加一倍,電脈衝傳導速度卻只提高40%。即使動用所有撙節辦法,當腦容量擴增時,白質(軸突)體積膨脹的速度仍比灰質(含細胞核的神經元本體)還要快。換句話說,腦變大時,大部份增加的體積都是線路,而不是實際進行運算的細胞,這現象再度顯示擴增終究是有限度的。

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